Development of carboxymethylcellulose films with silver nanoparticles and evaluation of their antimicrobial activity and toxicity

One alternative for new packagings is the use of renewable materials as raw materialin the development of films, with the challenge of maintaining the quality of the product. Polysaccharides are abundant and renewable origin, and its derivatives, such as carboxymethylcellulose, widely used in the food industry, have potential use as new materials in the form of films. However, there are challenges adequacies of mechanical properties and incorporation of new features (as antimicrobial) in carboxymethylcellulose films to make her suitable for packaging use. A promising system to modify the characteristics of these films is the incorporation of nanostructures. However, in Brazil there is no legislation to nanomaterials and the increased use of this technology, it is important to value the impact of these new materials from development to the final consumer, to better direct the search. In this context, the objective of this study was to develop carboxymethylcellulose films with PVA-silver nanoparticlesand evaluate their antimicrobial activity and toxicity. Silver nanoparticles were synthesized and incorporated in carboxymethylcellulose, via solution, obtaining films by casting. The following techniques to characterize films/solutions were used: spectrophotometry UV-Vis, Analysis of Particle Size, Zeta Potential, Water Vapor Permeability, Infrared Spectrophotometry, Thermal Analysis (Thermogravimetry and Differential Scanning Calorimetry), Mechanical Testing Tensile, Film Solubility in Water, Scanning Electron Microscopy (SEM / FEG) and Colorimetry. Generally, the addition of nanoparticles modified the characteristics of films, increasing mechanical properties at 66.7%. Evaluated the antimicrobial activity of the nanostructured system by Minimum Inhibitory Concentration (MIC) and inhibition zone, using Gram-positive bacteria (Enterococcus faecalis) and Gram-negative (Escherichia coli).MIC values showed the high effectiveness of the incorporation of the nanoparticles of CMC films (0,12^g mL-1), demonstrating the potential of this material for use in antimicrobial packages. In valuation of the toxicity of this nanostructured system, in vivo tests were performed in cultured cells (cyto and genotoxicity in Allium cepa), ingestion in Wistar rats and ecotoxicity in microcrustacean Daphnia similis. In meristematic cells of A. cepa, no result of cytotoxicity was verified in A. cepa. The analysis of chromosomal aberrations indicated predominance of abnormalities such as bridges chromosome in anaphase, verifying a clastogenic action of PVA-silver nanoparticles. Tests with rats have suggested the toxicity of nanostructured system, causing vacuolation in the liver and intestine crypt dilation, with accumulation of PVA-silver nanoparticles in ileum. Results of ecotoxicity have suggested a toxic potential of silver nanoparticles to aquatic invertebrates (CE5024 and 48 h equal to 0,0015 e 0,0012^g mL-1, respectively). The results of this study indicate that, even at low concentrations, PVA-silver nanoparticles can induce cellular damage in exposed organisms. Due to its increasing use, these data reinforce the importance of performing studies with silver nanoparticles as part of nanostructured systems.Financiadora de Estudos e ProjetosUma alternativa para embalagens é o uso de materiais renováveis como matéria-prima no desenvolvimento de filmes, com o desafio de manter a qualidade do produto. Polissacarídeos são abundantes e de origem renovável, e seus derivados, como a carboximetilcelulose, muito utilizada na indústria alimentícia, tem potencial de uso como novos materiais na forma de filmes. Porém, há desafios de adequação de propriedades mecânicas e incorporação de novas funcionalidades (como antimicrobiano) a filmes de carboximetilcelulose para tornar seu uso adequado a embalagens. Um sistema promissor para a modificação das características desses filmes é a incorporação de nanoestruturas aos mesmos. Contudo, no Brasil ainda não há uma legislação para nanomateriais e com o maior uso dessa tecnologia, torna-se importante avaliar o impacto destes novos materiais desde o seu desenvolvimento até o consumidor final, visando direcionar melhor as pesquisas. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver filmes de carboximetilcelulose com PVA-nanopartículas de prata e avaliar a sua atividade antimicrobiana e a toxicidade. Nanopartículas de prata foram sintetizadas e incorporadas em carboximetilcelulose, via solução, obtendo-se filmes por casting. As seguintes técnicas de caracterização dos filmes/soluções filmogênicas foram utilizadas: Espectofotometria na região do UV-Vis, Análise do Tamanho das Partículas, Potencial Zeta, Permeabilidade ao Vapor de Água, Espectrofotometria de Infravermelho, Termogravimetria, Calorimetria Exploratória Diferencial, Ensaios Mecânicos de Tração, Solubilidade dos filmes em Água, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV/FEG) e Colorimetria. Em geral, a adição das nanopartículas modificou as características dos filmes de CMC, aumentando as propriedades mecânicas em 66,7%. Avaliou-se a atividade antimicrobiana do sistema nanoestruturado por meio da Concentração Mínima Inibitória (MIC) e halo de inibição, utilizando-se bactérias Gram-positivas (Enterococcus faecalis) e Gram-negativas (Escherichia coli). Valores de MIC mostraram a alta efetividade da incorporação de nanopartículas de prata em filmes de CMC (0,12^g mL-1), mostrando seu potencial para o uso em embalagens antimicrobianas. Na avaliação da toxicidade desse sistema nanoestruturado, foram realizados testes in vivo em cultura de células (cito e genotoxicidade em Allium cepa), ingestão em ratos Wistar e ecotoxicidade em microcrustáceo Daphnia Similis. Em células meristemáticas de A. Cepa, nenhum resultado decitotoxicidade foi verificado. A análise das alterações cromossômicas indicou uma predominância de alterações como pontes cromossômicas em anáfase, verificando-se uma ação clastogênica do PVA-nanopartículas de prata. Testes com ratos Wistar sugeriram toxicidade do sistema nanoestruturado, causando uma vacuolização no fígado e dilatação difusa das criptas no intestino, com acúmulo de nanopartículas de prata no íleo. Resultados de ecotoxicidade sugeriram um potencial tóxico das nanopartículas de prata para invertebrados aquáticos (CE5024 e 48 horas iguais a 0,0015 e 0,0012^g mL-1, respectivamente). Os resultados deste trabalho indicam que, mesmo em baixas concentrações, nanopartículas de prata podem induzir a danos celulares em organismos expostos. Devido ao seu crescente uso, estes dados reforçam a importância da realização de estudos adicionais para nanopartículas de prata como parte de sistemas nanoestruturados